"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Пар образуется, когда молекулы жидкости покидают её поверхность. В закрытом сосуде одновременно идут испарение и конденсация: при равенстве их средних скоростей возникает насыщенный пар. Если испарение преобладает, пар остаётся ненасыщенным. Главное свойство насыщенного пара — его давление при данной температуре определяется веществом и температурой, а не объёмом сосуда, пока в нём есть и жидкость, и пар. Эти понятия нужны для описания влажности воздуха и атмосферных явлений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью: сколько молекул в среднем испаряется, столько же конденсируется. Это понятие показывает, что пар достиг предельного содержания при данной температуре.
Ненасыщенный пар — пар, плотность и давление которого при данной температуре меньше соответствующих значений насыщенного пара. Такой пар может принять дополнительные молекулы, не вызывая немедленной конденсации.
Давление насыщенного пара — давление пара, находящегося в динамическом равновесии с жидкостью при определённой температуре. По нему можно судить, насколько интенсивно вещество испаряется и какое максимальное давление его пар может создать.
Относительная влажность — отношение давления водяного пара p к давлению насыщенного пара pₙ при той же температуре, выраженное в процентах: φ = p/pₙ · 100%. Величина показывает, насколько воздух близок к насыщению влагой.
При испарении молекулы жидкости покидают её поверхность, потому что часть из них благодаря тепловому движению получает достаточную энергию для выхода. В замкнутом сосуде эти молекулы не исчезают: они движутся над жидкостью и иногда возвращаются в неё. Возвращение молекул в жидкость называют конденсацией, поэтому оба процесса могут идти одновременно.
Сразу после заполнения сосуда паром молекул над жидкостью мало, поэтому столкновения с поверхностью происходят нечасто. Испарение в этот момент заметно преобладает над конденсацией. По мере накопления пара число его молекул и столкновений с жидкостью растёт, поэтому конденсация постепенно усиливается.
Наконец, средние скорости испарения и конденсации становятся одинаковыми. Это не означает остановку движения: отдельные молекулы по-прежнему покидают жидкость и возвращаются в неё. Но количество пара и его давление в среднем перестают изменяться, поэтому равновесие называют динамическим.
При заданной температуре давление насыщенного пара определяется тем, насколько легко молекулы данного вещества покидают жидкость. Если в сосуде есть и жидкость, и пар, уменьшение объёма временно увеличивает давление, но лишняя часть пара конденсируется. Поэтому после установления равновесия давление снова принимает значение, зависящее только от температуры и вещества.
Ненасыщенный пар содержит меньше молекул, чем допускает равновесие при этой температуре. Поэтому над жидкостью можно испарить ещё некоторое количество вещества, прежде чем начнётся заметная конденсация лишнего пара. Если же насыщенный пар охладить, допустимое давление уменьшится, и часть молекул уже не сможет оставаться в газообразном состоянии.
| Свойство | Насыщенный пар | Ненасыщенный пар |
|---|---|---|
| Состояние относительно жидкости | Находится в равновесии с жидкостью | Равновесие ещё не установилось |
| Соотношение скоростей испарения и конденсации | Скорости равны | Испарение обычно преобладает |
| Давление при данной температуре | Максимально возможное, равно давлению насыщения | Меньше давления насыщенного пара |
| Что происходит при добавлении пара | Избыток пара конденсируется | Пар может накапливаться |
| Что происходит при охлаждении | Часть пара конденсируется | Сначала давление уменьшается, затем возможна конденсация |
Сначала определите, установилось ли равновесие пара с жидкостью. Затем сравните давление пара с давлением насыщения при той же температуре. Строки о добавлении пара и охлаждении помогают предсказать, будет ли продолжаться накопление пара или начнётся конденсация.
В закрытом сосуде над водой установилось равновесие испарения и конденсации. Требуется определить состояние водяного пара. Ключевым признаком насыщенного пара является именно равенство средних скоростей двух процессов.
Ответ: пар насыщенный.
При температуре 20 °C давление насыщенного водяного пара равно 2,3 кПа, а фактическое парциальное давление водяного пара — 1,15 кПа. Нужно найти относительную влажность. Используем φ = p/pₙ · 100%.
Ответ: относительная влажность воздуха равна 50%.
При 20 °C относительная влажность воздуха составляет 60%, а давление насыщенного пара равно 2,3 кПа. Найдём фактическое давление пара и определим, сколько пара нужно добавить в неизменном объёме до насыщения. При постоянной температуре давление пропорционально плотности пара.
Ответ: парциальное давление равно 1,38 кПа; нужно добавить пара массой примерно 67% от уже имеющейся.
Ошибка: считать, что насыщенный пар больше не испаряется. Так думают из-за слова «насыщенный», но равновесие означает не прекращение, а компенсацию испарения конденсацией. Проверьте себя: в определении должны присутствовать оба процесса и равенство их средних скоростей.
Ошибка: полагать, что давление насыщенного пара при постоянной температуре меняется с объёмом сосуда. Это неверно, если в сосуде одновременно остаются жидкость и пар: лишний пар конденсируется. Проверка проста — уточните, сохранилась ли жидкая фаза.
Ошибка: смешивать давление водяного пара с общим давлением воздуха. Влажный воздух является смесью газов, поэтому давление воды — лишь одна, парциальная, часть общего давления. В условии ищите прямое указание на «парциальное давление».
Ошибка: делить давление насыщенного пара на фактическое давление. Относительная влажность рассчитывается наоборот: φ = p/pₙ · 100%, где в числителе стоит реальное давление водяного пара. Результат не должен превышать 100%, если речь идёт о равновесном паре без конденсата.
Для понимания темы нужны представления о тепловом движении молекул, испарении и конденсации. Эти процессы объясняют, почему жидкость может постепенно переходить в газ и возвращаться обратно.
Парциальное давление связывает тему с газовыми законами и смесями газов. Оно позволяет выделить вклад водяного пара в общее давление влажного воздуха.
Относительная влажность используется при изучении точки росы, образования облаков и атмосферных явлений. При достижении насыщения избыток водяного пара может превращаться в капли воды или кристаллы льда.
Почему насыщенный пар продолжает испаряться?
Насыщенный пар находится в динамическом равновесии: молекулы продолжают покидать жидкость, но в среднем столько же молекул возвращается обратно. Поэтому испарение не прекращается, а уравновешивается конденсацией.
Можно ли получить насыщенный пар в открытом сосуде?
В обычном открытом сосуде надолго получить насыщенный пар трудно, потому что пар уходит в окружающее пространство и смешивается с воздухом. Насыщение возможно временно или при особых условиях, например если испарение успевает компенсировать утечку пара.
От чего зависит давление насыщенного пара?
Оно зависит от температуры и рода жидкости. При повышении температуры давление насыщенного пара увеличивается, поскольку больше молекул получает энергию, достаточную для выхода из жидкости.
Чем давление водяного пара отличается от общего давления воздуха?
Давление водяного пара — это его парциальное давление, то есть вклад молекул воды в общее давление смеси. Общее давление влажного воздуха складывается из парциальных давлений водяного пара и остальных газов.
Что происходит с насыщенным паром при охлаждении?
При охлаждении давление насыщенного пара уменьшается. Если пара стало больше, чем может существовать при новой температуре, его избыток конденсируется в жидкость.
2. Насыщенный и ненасыщенный пар
